Der Ionisation von Helium in Zeitlupe zugeschaut

  • 15. May 2012

Messungen an der TU Wien machen elektronische Prozesse auf der Attosekundenskala sichtbar.

Ein starker Laserstrahl kann einem Atom ein Elektron entreißen – ein Prozess, der auf einer ungeheuer kurzen Zeitskala abläuft. An der Technischen Universität Wien ist es nun gelungen, diesen Vorgang zeitlich aufgelöst zu untersuchen. Mit einer Genauigkeit von weniger als zehn Attosekunden lässt sich beobachten, wie der Laser ein Heliumatom einfach ionisiert und ein freies Elektron „geboren“ wird. Dadurch kann man Informationen über die Elektronen des Atoms erhalten, die bisher völlig unmessbar waren, etwa die zeitliche Entwicklung seiner Quantenphase – der Takt, in dem die Quantenwellen schwingen.

Durch Tunnelionisation von Atomen (blau) in einem Laserfeld (rot) erzeugte Elektronenpaare (grün) sind durch die Lichtoszillationen auf einer Attosekunden Zeitskala zueinander synchronisiert

Abb.: Durch Tunnelionisation von Atomen (blau) in einem Laserfeld (rot) erzeugte Elektronenpaare (grün) sind durch die Lichtoszillationen auf einer Attosekunden Zeitskala zueinander synchronisiert. (Bild: TU Wien)


Bei den Experimenten werden kurze Laserpulse auf Atome geschossen. Jeder Laserpuls lässt sich als Lichtwelle beschreiben: Die Wellentäler und Wellenberge des Laserpulses fegen über das Atom hinweg, am Ort des Atoms ändert sich daher ständig die Stärke des elektrischen Feldes. Dadurch wird ein Elektron aus dem Atom entfernt, doch wann das geschieht, lässt sich nicht exakt definieren: „Das Elektron wird nicht an einem Zeitpunkt während des Kontaktes mit dem Laserlicht aus dem Atom gerissen – wie in der Quantenmechanik üblich kommt es hier zur Überlagerung verschiedener Vorgänge“, sagt Markus Kitzler vom Institut für Photonik der TU Wien. Ein einzelnes Elektron verlässt das Atom gewissermaßen zu verschiedenen Zeitpunkten – und diese Vorgänge kombinieren sich zu einem Gesamteffekt, ähnlich wie sich einzelne Wellen im Wasser zu einem Wellenmuster überlagern. „Durch diese quantenmechanischen Wellen-Überlagerungen erhalten wir Information über den Anfangszustand des Elektrons, den es während des Ionisationsprozesses eingenommen hat“, erklärt Joachim Burgdörfer vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien, dessen Gruppe bei dem Projekt eng mit dem Institut für Photonik zusammenarbeitete.

Beeinflussung der Interferenzstruktur elektronischer Wellenpakete mittels Änderung der Phasendifferenz (Achse unten, nach rechts) zweier Laserpulse

Abb.: Beeinflussung der Interferenzstruktur elektronischer Wellenpakete mittels Änderung der Phasendifferenz (Achse unten, nach rechts) zweier Laserpulse. (Bild: TU Wien)


Wenn sich, wie in diesem Experiment, Teilchen wellenartig mit sich selbst überlagern, können sich die einzelnen Wellen gegenseitig verstärken oder auch auslöschen. Es kommt auf die Phase der Welle an – auf den Punkt im Verlauf des rasend schnell ablaufenden Wellenzyklus, an dem sich die Welle gerade befindet. „Diese Quantenphase ist einer Messung normalerweise kaum zugänglich“, sagt Kitzler. Durch eine Kombination aus hochpräzisen Messungen und aufwändigen theoretischen Berechnungen konnte nun aber Information über die Quantenphase des Elektrons gewonnen werden.

Markus Kitzler (l) und Xinhua Xie mit ihrer Laseroptik am Institut für Photonik

Abb.: Markus Kitzler (l) und Xinhua Xie mit ihrem Versuchsaufbau am Institut für Photonik (Bild: TU Wien)

Entscheidend dafür war ein ganz besonderer Laserstrahl, der zwei verschiedene Lichtwellenlängen beinhaltet. Der Laserpuls, der auf das Atom einwirkt, kann genau maßgeschneidert werden. Dadurch lässt sich messen, welche Schwingungsphase – bezogen auf den Takt, den das Laserlicht vorgibt – das Elektron hatte, bevor es dem Atom entrissen wurde. „Diese Quantenphase, die wir nun messen können, liefert auch Information darüber, welche Energiezustände das Elektron vor seiner Entfernung aus dem Atom eingenommen hat und wo genau es zur Ionisation kam“, erklärt Kitzler. Dazu war es nötig, die Quantenphase mit einer unvorstellbaren Genauigkeit von weniger als zehn Attosekunden zu messen.

TU Wien / OD

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